Comments
Description
Transcript
工作機械をめぐる最近の話題
NTN TECHNICAL REVIEW No.74（2006） [ 寄稿文 ] 工作機械をめぐる最近の話題 Trends in Recent Machine Tool Technologies 最近における工作機械の技術動向について、高速高能率工作機械、複合加工 機，超精密工作機械，制御の高度化・知能化の観点から筆者の考えをまとめ た．工作機械は産業の基盤であり，わが国にとって戦略的に重要な製品であ るといえる．本稿では今後開発を進めていくべきハードウェア及びソフトウ ェアの技術課題について，世界の動向も踏まえて筆者の考えを紹介している． 森脇 俊道 Dr. Toshimichi MORIWAKI 神戸大学工学部教授 Professor Department of Mechanical Engineering KOBE University Recent trends in the machine tool technologies are surveyed from the view points of high speed and high performance machine tools, combined multi-functional machine tools, ultraprecision machine tools and advanced and intelligent control technologies. The machine tools are bases of manufacturing industries and they are strategically important products for Japan. The views of the author towards the technical developments in both hardware and software are introduced together with the world wide trends in the relevant fields. ると，表1のようになろう．ここでは個々の技術につ 1．はじめに いて詳細な点は別の専門的な論文に任せるとして，利 点の内の一点だけ，びびり振動の回避について紹介し 現在工作機械業界は空前の活況を呈し，生産が需要 ておく． に追いつかない状況にあるといわれている．特にわが 国の工作機械業界は，1982年以来世界第一のマーケ 1960年代から70年代にかけて，工作機械のびび ットシェアを有し，ここ一両年はいわゆるダントツの り振動に関して世界的な規模で研究が行なわれた．そ 強さを見せている．今後ともこの強みを維持していく の結果として，いわゆる再生型びびり振動や強制びび ためには，単に生産設備を補強していくだけでなく， り振動の発生原理が明らかにされ，対策の基本的な考 次のニーズに対応し，後から追いかけてくる他国の工 作機械に負けない高付加価値を維持していく，着実な 表1 高速高能率工作機械の背景，基盤技術と利点 Background, supporting technologies and advantages of highspeed, high-efficient machine tools 研究開発が必要であろうと考える． 本稿では，筆者が所属するCIRP（国際生産工学ア カデミー）などを中心に，話題となっている事柄や， 高速・高能率工作機械 将来に向けた研究開発の動向をまとめてみたい． （背景，基盤技術） ¡高能率加工，コスト低減の必要性 ¡高速主軸，高速送り（リニアモータなど）の開発 2．高速高能率工作機械 ¡高速切削加工対応工具の開発，切削技術の高度化など 工作機械主軸の最高回転数や送り速度がますます高 （利点） まり，いわゆる高速高能率化していることは良く知ら ¡加工時間の短縮（能率向上） れているとおりである1）．このような高速化の背景や， ¡加工精度・仕上げ面性状の改善 基礎となる基盤技術，利点の主なものを簡単にまとめ ¡びびり振動の回避 -2- 工作機械をめぐる最近の話題 え方が示されたが，それ以来系統的な研究はあまり行 来て，切りくず厚さの変動をなくすることが可能とな われなくなってしまった． り，この条件では切込みを大きくしてもびびり振動は 発生しない． 最近になって難削材の加工や，航空機用のアルミニ ウムの高速・高能率切削などにおいて，びびり振動が この原理を応用して，アルミニウムなどの航空機部 新たな問題として取り上げられるようになった．一般 品の高速高能率切削が実現されている．関連して，主 にはびびり振動が発生すると切込みや切削速度を落と 軸及びチャックや工具を含む主軸系の動特性に対する して回避（低速安定性）するが，主軸速度を上げるこ 関心が高まり，軸受や設計諸元と主軸，主軸系の動特 とによってもびびり振動を回避することは可能であ 性の関係が理論的，実験的にも明らかにされつつあり， る．このことは1960年代の研究でも既に知られてい 主軸設計にフィードバックされるようになってきてい たが，当時はそのような高速主軸が存在しなかったた る．最近では解析や設計のための各種ソフトウェアの め，単に理論的な可能性としてのみ捕らえられていた． 利用も広く行われるようになってきており，主軸設計 エンドミル加工などのフライス加工におけるびびり振 に関する理論的な検討は今後益々重要になると考えら 動を理論的に取り扱うことは数学的にも困難であった れる． が，Y. Altintas教授らの研究成果としての図1に示す ような安定線図が描かれている．これは横軸の主軸回 3．複合加工機 転数に対して，葉状のローブ以下の切込みではびびり 振動が発生しないことを示している．この詳細2）につ 現在高速高能率切削工作機械と並んで話題になって いては省略するが，図中の右に示しているように，主 いるのは，5軸マシニングセンターや複合旋盤（ター 軸一回転前，あるいは一刃前の切削によって生成され ニングセンター）などの複合加工機であろう．複合加 た仕上げ面の凹凸と，現在の切れ刃が生成している仕 工機開発の背景や利点を簡単にまとめて表2に示す． 上げ面の凹凸によって作られる切りくず厚さの変動が 複合加工機は大まかに，旋盤を基礎に発展してきたタ 切削力変動を生じ，このことが振動を持続するもとと ーニングセンター（TC）とフライス盤から発展して なる，というのがびびり振動発生の原理である．ここ きたマシニングセンター（MC）に大別することがで で振動周波数に匹敵する高速で主軸を回転させると， きる． Real Part [μm/N] 前回と今回の振動の位相差をうまく制御することが出 2kζ=Dynamic Stiffness Ktc=Cutting Coefficient 2 1 n=60/T T= 2Kπ＋ε ωc 0 -1 ∼ Gmin＝ -2 0 500 1000 -1 4kζ 1500 ε=3π＋2tan-1 2000 2500 3000 3500 lm [φ （jωc）] Re [φ （ωc）] 4000 Axial depth of cut [mm] Frequency[Hz] Chip 5 Stabiliy Lobes 4 180˚ 3 alim = 2 1 0 acrit = 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -1 2KtcG(ω) -1 2kζ = Ktc 2Ktc -1 4kζ Spindle speed [rev/min] 図1 再生型びびり振動の安定線図（Y. Altintas） Stability chart of regenerative chatter vibration -3- NTN TECHNICAL REVIEW No.74（2006） 表2 複合加工機の背景，基盤技術と利点 Background, supporting technologies and advantages of combined multi-functional machine tools れており，旋盤系の工作機械からフライス型の工作機 械に近いものも開発されている．このような複合加工 機の例を図3（森精機製作所製NT5400DCG）に示 同時5軸制御マシニングセンター（例；直交3軸＋回転2軸） 複合加工旋盤（例；旋盤＋第2主軸，B軸，Y軸など） す． 他方，マシニングセンターについてみれば，多くの （背景，基盤技術） ¡より高度（複雑）な部品の高精度，高能率加工の必要性 異なった種類の5軸マシニングセンターが開発されて ¡支援ソフト（CAM）の高度化 いる．中でも直交3軸のたて，横マシニングセンター ¡高精度，高能率機械要素（例；DDモータ駆動テーブル に加えて，工作物テーブルに回転と揺動の2軸を付加 など）の開発 した同時5軸制御マシニングセンターが広く利用され （利点） ている．さらに最近では，工作物テーブルの駆動を ¡加工精度の向上，加工時間の短縮（ワンチャック加工） DDモーターによって行い，高速高馬力の回転テーブ ¡複雑形状の加工 ルで高速割り出しの他にたて型旋盤の機能を持たせて いるものも現れている．このように，当初旋盤とフラ イス盤から始まった複合加工機は，今後両方の機能を 旋盤系の複合加工機による加工事例を調査した結果 分離することができない新たな複合加工機に進展して の一部を図2に示す．内外径や端面の加工に加えて， いくことも考えられる． 斜面の加工やホブ切りなども一部では行われている． 複合加工機の利点は，単に5軸制御を必要とする複 最近では，タレット部に相当する部分に取り付けられ 雑な形状の加工のみならず，一度工作物を取り付ける る主軸もエンドミルなどの補助的な切削に利用される ことによって全ての加工が行われるため，工作物の取 のではなく，本格的なフライス加工ができるものも現 り付け取り外しに伴う精度劣化を防ぐことができる 上，機能集約型の部品が増える中にあって，高精度， 受け渡し有， 無 ホブ 高能率の加工を実現することなどがあげられる．複合 外径加工（旋削） 80 外径加工（フライス） 60 加工機はこれからの差別化した工作機械として，ます ますその需要が増えると考えられるが，高度な機能を 外径加工（ネジきり） 40 研磨 傾斜面（穴あけ） 実現するハードウェアの開発とともに，制御の高度化， 外径加工（ドリル） 20 0 利用技術の面からの高度な支援ソフト（CAM）の開 内径（旋削） 発が重要な課題となろう． 内径（ネジきり） 傾斜面（フライス） 端面（ドリル） 端面（フライス） ちなみにCIRP（国際生産工学アカデミー）のSTCM（Scientific Technical Committee Machine 内径（ミーリング） 端面（旋削） 「機械」科学技術委員会）では，2年後をめどに複合 工作機械の技術の現状と今後の動向をキーノート論文 図2 旋盤系複合加工機による加工事例の調査結果 Survey of machining examples by combined multi-axis machine tools based on turning machines として取りまとめることにしている． 図3 複合加工機の例(森精機製作所NT5400DCG) An example of combined multi-axis machine tool (Mori Seiki Co. NT5400DCG) -4- 工作機械をめぐる最近の話題 光学部品を中心とした超精密マイクロ加工の最近の 4．超精密工作機械 動向は表4に示すように，形状精度や仕上げ面粗さに 高速高能率と並んで工作機械に要求されるのは高精 対する要求が一段と厳しくなる中で，加工すべき形状 度である．最近では高精度工作機械からさらに進んだ も複雑になってきている．また光学レンズも従来のプ 超精密工作機械が種々開発されてきている．これまで ラスティックの射出成形から，ガラスのホットプレス 超精密工作機械が必要とされる分野は限られており， 加工への移行に伴い，金型材料も超硬合金やセラミッ 超精密工作機械のマーケットは比較的小さかったが， クスなど極めて加工しにくい材料が増えている．これ 最近では主として光学部品の金型を中心とした超精密 らの金型は研削加工，ポリシングなど多くの工程を経 加工，各種マイクロ部品の加工など超精密・マイクロ て加工する必要がある．現在巷に数多く出回っている 加工の要求が増え，それに伴って各種超精密工作機械 カメラ付き携帯電話のレンズ，ディジタルカメラのレ の開発が進められてきている． ンズはこうした金型加工技術とガラスのプレス成形技 術の成果である． 超精密工作機械が必要とされる背景，超精密工作機 械を実現するための基盤技術，また超精密加工の利点 さらにレンズについてみれば，光学特性を向上する をまとめると表3のようになる．特に空気静圧軸受や ためフレネルレンズと非球面レンズの組み合わせな 案内など超精密機械の要素技術の進歩は著しく，こう ど，より高度の加工が要求されつつある．またレーザ したハードウェア技術の進歩がわが国の工作機械の高 プリンターなどレーザ光を利用する光学機器において 付加価値化に貢献しているといえる． は，非軸対称や自由曲面といったより高度な光学系が 要求されており，超精密加工の高度化への要求は止ま るところを知らない．そのため超精密加工，マイクロ 加工に必要な超精密工作機械は，最先端の高付加価値 表3 超精密工作機械の背景，基盤技術と利点 Background, supporting technologies and advantages of ultraprecision machine tools 部品を加工する工作機械として今後一層その重要性が 増すと考えられる． 自由曲面を超精密，高能率で加工する装置の一例と 超精密工作機械（超精密切削，研削加工機） して，3軸FTS（ファースト・ツール・サーボ）3）の （背景，基盤技術） 例を図4に示す．これは図に示すように，超精密回転 ¡超精密・マイクロ部品の要求増大 （光学関連部品，金型など） テーブル上に固定した工作物を回転させながら，高速 ¡超精密機械要素（主軸，案内，送り駆動系など）の高度化 高応答周波数で3軸方向に切り込み制御が可能な工具 ¡高精度制御技術 を，半径方向に移動させながら切削加工する装置であ （利点） る．ここで工具を半径方向に送りながら高速で軸方向 ¡超精密・マイクロ加工による新たなマーケット開発 （ニーズに対応） （光学関連部品，マイクロ・メカトロ部品など） Y 表4 超精密マイクロ加工の動向 Trends in ultraprecision micro machining ３軸駆動PZT Z 1．形状精度，仕上げ面粗さ： ¡マイクロ→ナノ 工具 2．形状（光学部品の場合） 工作物 X 送り ¡球面→非球面→非軸対称→自由曲面 3．工作物材質 ¡軟質金属（アルミニウム，銅など） ¡硬質金属（ニッケル，焼入れ鋼など） ¡脆性材料，異方性材料（ニオブ酸リチウム，蛍石など） ¡硬脆材料（超硬合金，セラミックなど） 図4 3軸駆動FTSによる超精密加工の概念図 Schematic illustration of ultraprecision cutting by 3-axix FTS ¡その他材料（プラスティックなど） -5- NTN TECHNICAL REVIEW No.74（2006） に切り込み制御を行なえば，理論的には任意の形状を 工作機械に与える運動制御情報を基に，工作機械の 工作物表面に仕上げることが出来る．しかしながら実 運動をリアルタイムでシミュレートすることも可能で 際には工具の応答周波数，応答速度をいかに上げても ある．この考え方を利用して，オークマでは実際の工 切削方向に直角な段差を作ることはできない．そこで 作機械の動きに少し先行したシミュレーションを行 工具を3軸方向に同時制御することにより，加工しえ い，例えば工具とチャックが干渉して衝突するような る形状の自由度を増やし，また制御すべき工具の運動 事態を直前に知って機械を止める，アンチクラッシュ 軌跡をより簡単にすることが可能となる．こうした システムを開発している．図5にその概念図を示す． FTSを用いることにより，自由曲面の切削加工時間を こうした考え方のさらに進んだ研究として，先に述 大幅に短縮することが可能となる． べたCIRPのSTC-Mでは現在バーチャル・マシンツー ルの名のもとに，加工プロセス，工作機械の動特性や 5．制御の高度化・知能化 表5 制御の高度化・知能化の背景，基盤技術と利点 Background, supporting technologies and advantages of advanced and intelligent control technologies 工作機械ハードウェアの進歩と並んで，忘れてなら ないものはソフトウェアの進歩であろう．関連した背 景，利点などをまとめて表5に示す．最近では単に 制御の高度化・知能化 NC機能の高度化だけではなく，工作機械の特性や加 （背景，基盤技術） 工プロセスを理解した上でのより高度な制御（知能化） 情報や，温度情報をもとにリアルタイムで熱変形を推 ¡より高機能，低コストの制御装置への要求 ¡高速・高精度の補間システム ¡リアルタイム熱変形補正 ¡シミュレーションを併用したアンチクラッシュ・システム ¡コンピュータ，IT技術の高度化 定し4），それに基づいて機械の運動を制御し，いかな （利点） る条件下でも高い加工精度を補償するような高度な制 ¡工作機械の高付加価値化 ¡ノウハウの技術化 も進められている．例えば，工作機械の加工精度を阻 害する最も重要な熱変形について見れば，工作機械の 御も実用されている． 機械モデル 簡単モデリング 仮想機械 段取設定 冶工具，素材等 少し先行した 動作指令 仮想機械制御 干渉検知 リアルタイムミュレーション 完全同期 機械停止 機械制御 あらゆる操作 動作指令 図5 アンチクラッシュシステムの概念図（オークマ） Conceptual diagram of anti-crush system (Okuma Co.) -6- 工作機械をめぐる最近の話題 制御特性など，全てを含む完全なシミュレーションを 参考文献 行うことを試みている．例えば工作機械に運動命令を 1）垣野義昭：NC工作機械主軸系の最新動向，NTN， Technical Review, No. 72(2004) p2. 2）Y. Altintas, M. Weck: Chatter Stability of Metal Cutting and Grinding, Annals of the CIRP, 53/2 (2004) p619. 3）Wada et. al.: Development of Three-axis Fast Tool Servo for Ultraprecision Machining, Proc. 6th Int. Conf. of euspen (2006) p115. 4）千田治光ほか：量産を目的とした工作機械の主軸熱 変位推定（第2報） ，日本機械学会論文集C編，71709 (2005) p2813. 5）K. Erkorkmaz et. al. : Virtual Computer Numerical Control system, Annals of the CIRP, 55/1 (2006) p399. 出すと機械各部がどのように応答し，工具と工作物が どのように干渉して切削が行われ，その結果発生する 切削力が機械と工具にどのように影響を与えるか，と いうようにコンピュータ上で機械とプロセスの完全な シミュレーションを行おうとするものである．一例と して図6にバーチャルなCNCシステムのアーキテクチ ャ5）を示す． バーチャル・マシンツールが現実のものとなるため には，今後まだまだ加工プロセス，工作機械のダイナ ミクス，運動特性など多くの事柄についての研究を進 める必要があるが，着実に研究が進展しつつあること を指摘しておきたい． 〈著者紹介〉 森脇 俊道 （もりわき としみち） 神戸大学工学部 教授 （工学博士） 6．まとめ 1966年 1968年 1974年 1975年 1985年 工作機械技術の動向に関して，筆者の身近な経験か らいくつかの代表的な項目について紹介した．工作機 械はわが国を代表する基幹の機械産業であり，今後と も高速・高能率，超精密に関する研究は，一段と先鋭 専門分野：生産システム，工作機械，人間工学 受賞・表彰歴： CIRP（国際生産加工研究会議）F.W.Taylorメダル 1977 工作機械技術振興賞（工作機械技術振興財団）1991, 1994, 1995, 1998, 2001 井植文化賞（科学技術部門）（井植記念会）1998 精密工学会賞 2002,2003 兵庫県科学賞（兵庫県）2004 等 他多数 化しながら継続されると考えられる．中でも重要な機 械要素である主軸受に求められる超高速・超高精度と いう永遠のテーマに対して， NTN の技術，製品が世 界をリードしていくよう，関係各位の引続きのご努力 に期待したい． CAD Model CL File CAD/CAM System 京都大学工学部精密工学科卒業 京都大学大学院工学研究科精密工学専攻修士課程修了 神戸大学工学部 助教授 カナダ・マクマスタ大学 助教授 神戸大学工学部 教授（2000年―2004年 工学部長） … LOADTL/2 FEDRAT/10000.00,MMPM RAPID GOTO/0.000,0.000,50.000 CL File Interpretation y Tool Path Geometry y Pi+1 s Pi+1 Pi x Pi x Pc Trajectory Generation Axis Servo Loop Displacement S Feed Drive Servo Dynamics r (t), r (t), r (t) Axis Motion Tracking Control t Feedrate S t Acceleration t Jerk t Axis Commands S Feedback S Feed Profiling Actual Axis Position Actual Tool Position with Servo Errors Tracking and Contour Error Estimation 図6 バーチャルなCNCシステムのアーキテクチャ４） System architecture of virtual CNC -7-